تشخیص ذات‌الریه در نبود امکانات پیشرفته‌ی پزشکی با استفاده از کاف و گوش دادن به صدای تنفس بیمار انجام می‌شود. درمانگران می‌بایست به دقت علائم بیماری را بررسی کنند و در صورت نیاز به انجام آزمایش‌های بیشتر بیمار را به یک بیمارستان مجهز معرفی نمایند. گوش دادن به صدای تنفس بیمار در محیط آرام یک کلینیک شهری کار دشواری نیست. اما در مکانی که سر و صدای محیط اطراف مانع از تمرکز درمانگران می‌شود، ذات‌الریه می‌تواند یک بیماری مهلک باشد. در این مقاله از مجله‌ی فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی به مرور قابلیت‌های کاف پژوهشگران John Hopkins برای تشخیص ذات الریه در مکان‌های دور از دسترس پزشکان متخصص می‌پردازیم.

چرا به یک فناوری موثر برای تشخیص ذات الریه نیاز است؟

در یک روستای کوچک کویر نشین آفریقا سر و صدای سیستم خنک کننده، صدای صحبت ساکنان منطقه که معمولا نزدیک به یکدیگر ساکنند به همراه صدای عبور ماشین‌های قدیمی امری طبیعی است. در این مکان‌ها مرگ و میر کودکان بر اثر بیماری‌های دستگاه تنفس بیش از هر چیز دیگری است بطوریکه سالانه یک میلیون مرگ بر اثر این بیماری ثبت می‌شود. این میزان بیش از مجموع میزان مرگ و میر ناشی از HIV و مالاریا است. در کشورهای جهان سوم تنها ۵ درصد جمعیت به دستگاه‌های پرتونگاری با اشعه X دسترسی دارند.  در مناطق پیرامون صحرای آفریقا تنها ۲ کودک از هر ۵ کودک مبتلا به ذات الریه مورد درمان قرار می‌گیرند. در مناطقی از این دست دسترسی به بیمارستان مجهز بسیار دشوار است و به علت هزینه‌ی بالای حمل و نقل بسیاری از بیماران به پزشک مراجعه نمی‌نمایند.

بالا بودن آمار مرگ و میر ناشی از این بیماری سبب ایجاد پروتکل خاصی در درمان کودکانی شده است که علائمی مانند سرفه، نفس‌های کوتاه و سریع دارند. با این پروتکل سازمان بهداشت جهانی در حدود نیمی از کودکانی که آنتی‌بیوتیک مناسب بیماری را دریافت می‌کنند به این دارو نیاز ندارند.

با امید به حل این مشکل پژوهشگران John Hopkins یک کاف پزشکی هوشمند ساختند. فناوری‌ کاف‌های پزشکی به طور مؤثر از سال دهه‌ی ۱۸۰۰ تغییری نداشته است. محدودیت‌های اصتفاده از کاف پزشکان را تشویق به استفاده از روش‌های مکمل تشخیص مانند پرتونگاری می‌نماید. این پژوهشگران با بودجه‌ی تامین شده از سویNational Heart, Lung, and Blood Institute، ناسا و بنیاد Bill & Melinda Gates طرحی جدید برای کاف پزشکی ارائه دادند.

چرا کاف پژوهشگران John Hopkins ابزاری مفید است؟

این طرح با همکاری پزشکان، مهندسین و متخصصان سلامت John Hopkins انجام شده است. این افراد از روش‌های دیجیتالی ثبت صدا، علم امواج صوتی برای خنثی کردن نویز، و هوش مصنوعی برای تشخیص بهره برده‌اند. این دستگاه نه تنها در مناطق دورافتاده بلکه در بیمارستان‌های شلوغ شهری نیز مفید خواهد بود.

در ابتدا پژوهشگران John Hopkins‌از درمانگران محلی درخواست کردند که صدای تنفس بیمار را به کمک یک کاف ساده که به درستگاه ضبط صوتی مجهز بود ضبط کنند. ارسال این صدا برای متخصصان به درمانگران امکان بهره مندی از نظر سایرین را می‌داد. در همین مرحله مشکلات بسیاری آشکار شد. نویز بسیار در پس زمینه، ناشی از صدای صحبت دیگران یا عبور وسایل نقلیه، و یا قرار نگرفتن درست کاف در محل مورد نظر تشخیص صدای تنفس را دشوار می‌نمود. سرعت اینترنت و قطع اتصال نیز مشکلی بود که با به تاخیر انداختن دسترسی به نظر متخصص، روند درمان را در مواردی تا چند روز به تاخیر می‌انداخت. این مشکلات ایده‌ی طراحی دوباره کاف پزشکی را در ذهن این متخصصان شکل داد.

ضبط صدا در محیطی شلوغ توسط یک کاف دیجیتال

کاف‌های متداول طراحی خاصی دارند. سر کاف از یک پرده‌ی نازک روی یک محفظه خالی تشکیل شده که با دریافت امواج صوتی سطح زیرین خود نوسانات صوتی را در یک لوله‌ی انعطاف‌پذیر پر شده از هوا منتشر می‌کند. هر چند طراحی کاف به منظور تشدید صدا به خوبی انجام شده است، برای شنیدن صداهایی مانند صدای تنفس به محیطی نسبتا ساکت نیاز است.

کاف‌های جدیدتر امواج صوتی را به امواج الکتریکی تبدیل می‌کنند. این تبدیل امکان دستکاری دیجیتالی در صدای ضبط شده را به کاربر می‌دهد بطوریکه بلندی صدا به خوبی قابل تنظیم است. نخستین نوآوری در طراحی کاف John Hopkins مربوط به دریافت صدا است. آرایه‌های دریافت کننده‌ی امواج صوتی به نحوی در سطح سری کاف پراکنده شده‌اند که امکان ثبت صدا با کیفیت مناسب حتی در صورت قرار نگرفتن کاف در مکان مناسب نیز وجود دارد. پژوهشگران برای دریافت امواج صوتی از بدن مبدل‌های گوناگونی را مورد آزمایش قرار دادند.

خنثی سازی نویز از مهم‌ترین موارد در تعیین کارایی یک کاف است. کاف‌های معمول در محل دریافت صدا یا سری کاف، در هنگام انتقال صدا به کمک لوله‌ی انعطاف‌پذیر پر شده از هوا و در محل گوشی کاف تحت تاثیر نویز محیط قرار می‌گیرند. برای خنثی سازی نویز در این سه محل از گیرنده‌های دیجیتال، سیم برای انتقال صدا به محل گوشی و روش‌های دیجیتالی خنثی سازی نویز در گوشی استفاده می‌شود.

قسمت هوشمند کاف مربوط به یک پردازشگر کوچک است که روی کاف سوار می‌شود. این واحد هوشمند امکان اجرای برنامه‌های خنثی سازی نویز و یا الگوریتم‌های تشخیص بیماری را فراهم می‌کند. در آینده می‌توان نرم‌افزارهای دیگری نیز روی این پردازشگر کوچک اجرا نمود.

فرآیند خنثی سازی نویز

یکی از حساس‌ترین مراحل طراحی این کاف به فرآیند خنثی سازی نویز مربوط است. در این مورد صدای مورد نظر خس خس تنفس بیمار است. این صدا ماهیتا مانند نویز می‌باشد. بنابراین دقت بسیار زیادی هنگام نوشتن الگوریتم حذف صداهای اضافی برای نگاه داشتن این صدا لازم بود. صداهای نویز پس زمینه مانند صحبت کردن بیماران، صدای زنگ تلفن همراه یا گریه کردن کودکانن نیز از همین نوع هستند. تفکیک کلیه‌ی این موارد برای نگه داشتن صدای مطلوب کمی دشوار است.

به منظور خنثی کردن صداهای اضافی افزون بر صدای صبط شده توسط گوشی، صدای یک میکروفون خارجی نیز ضبط می‌شود. این صداها با یکدیگر مقایسه شده و میزان حذف صداهای اضافی تنظیم می‌شود. برای آزمایش این الگوریتم صداهای ضبط شده توسط یک گوشی معمولی و صداهای پردازش شده توسط کاف John Hopkins در اختیار تعدادی متخصص قرار گرفت. این افراد در ۹۵ درصد موارد صدای کاف جدید را ترجیح می دادند.

نحوه‌ی کارکرد برنامه‌های این کاف را می‌توان با صحبت کردن با دیگران مقایسه کرد. فرض کنید در یک محیط پر سر و صدا هستید و برای شنیدن صحبت‌های سایرین روی صدای ایشان تمرکز نموده‌اید. ذهن شما پس از مدتی به صدای پس زمینه‌ عادت می‌کند و صحبت‌های دوست خود را به راحتی دنبال می‌کنید.

هوش مصنوعی و تشخیص ذات الریه

یکی دیگر از ویژگی‌های این کاف استفاده از هوش مصنوعی برای تشخیص بیماری ذات ‌الریه است. الگوریتم یادگیری ماشین در این کاف با ۱۵۰۰ نمونه از کشورهای آفریقایی و دو کشور آسیایی آموزش داده می‌شود. پس از آن الگوریتم با دقت ۸۷ درصد بیماری ذات‌الریه را شناسایی می‌کند. این میزان از دقت سایر روش‌های موجود بیشتر است. این برنامه بدون نیاز به اینترنت کار می‌کند و برای شرایطی که درمانگران به تنهایی باید برای بیماران خود تصمیم گیرند بهینه شده است.

در مرحله‌ی بعد  قابلیت‌های دیگری برای تشخیص چند نوع بیماری به آن افزوده خواهد شد. در آخر با توجه با کارایی و ارزان بودن این دستگاه باید آن را فناوری موثر و کارآمدی برای کلینیک‌های دور از بیمارستان‌های مجهز و مکان‌هایی دانست که پزشکان متخصص در آن‌جا رفت و آمد ندارند.

بیشتر بخوانیم:

حسگر بیسیم و انعطاف‌پذیر جایگزین دستگاه اندازه‌گیری بخش مراقبت ویژه نوزادان

معرفی فناوری های رباتیک توانبخشی بیماران سکته مغزی

منبع: spectrum.ieee

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی) مجاز است»